CN203672583U - 一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力特性模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力模型试验装置，圆桶与进水管一端连接；进水管安装在蠕动泵上，进水管另一端中部分别接上脉动缓冲器和流量计，进水管另一端端部与入腔接头上部接口连接并涂抹工业涂胶密封；排水管一端伸入圆桶内，排水管另一端与入腔接头侧部接头连接并涂抹工业涂胶密封；入腔接头与有机玻璃腔体上盖连接，用螺丝钉固定并涂抹工业涂胶密封，造腔内管与入腔接头下部接口连接。该装置结构简单，操作方便，水流流量可精确调控且稳定，且能够准确获取和监控，可用以研究造腔过程中水流速度等因素对造腔内管和造腔外管自激振动和动力失稳的影响，为造腔工艺参数设计提供更真实的技术指导。

Description

一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力特性模型试验装置

技术领域

    本实用新型涉及盐岩水溶造腔技术领域，具体涉及一种盐穴储油库的水溶开采造腔过程中造腔管柱动力特性物理模拟的试验装置，更具体涉及与盐矿水溶开采、放射性废弃物地下储库建设和盐岩储库水溶造腔相关的领域的室内试验装置。

背景技术

在深部盐岩洞穴中进行石油、天然气及高放射核废料地下储存是国内外公认的理想方式。目前在盐岩地层中建造储库普遍采用单井油垫对流法水溶开采。造腔时，将造腔内管、造腔外管和生产套管依次嵌套，即造腔内管之外套造腔外管，造腔外管之外套生产套管，构成造腔管柱系统。造腔淡（卤）水经造腔内管（或者造腔内管和造腔外管之间的环空部分）注入腔体，腔内卤水从造腔内管和造腔外管之间的环空部分（或者造腔内管）排出地面，流动的非饱和卤水不断溶蚀腔壁盐岩，逐渐扩大腔体体积；造腔外管和生产套管之间充满柴油或其它液体，下行形成油垫层隔开淡卤水和腔顶盐岩以抑制上溶并促使腔体横向侧溶，或者上行撤除油垫层使淡卤水溶解腔顶盐岩，让腔体向上溶蚀，从而形成理想形状的腔体。

造腔盐岩地层一般位于500~2000米之间，造腔内管和造腔外管一般从地面井口自由悬伸至地下溶腔中，因修井和腔体测试需求，造腔内管和造腔外管之间不设置任何支撑。在实际造腔过程中，因造腔内管破损导致的事故时有发生，如造腔内管弯曲变形、管柱接箍损坏等，都会增加造腔成本，延长工期，甚至造成重大工程事故。研究表明，造腔管柱在受限空间的自激振动和动力失稳是导致管柱发生严重弯曲变形或者破损的主要原因（李银平，杨春和等，盐穴储油（气）库水溶造腔管柱动力特性初探）。

目前已公开的与本实用新型相关的专利中：“一种模拟多夹层盐岩地址条件的造腔模型试验装置”（陈结、张德义等，2012）发明了一种能够观测和分析多夹层盐岩造腔过程的物理模型试验装置；“多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置”（李建中，张昱文等，2012）发明了一种多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置，可以实现盐岩造腔过程的可监测物理模拟，同时也可以进行多夹层盐岩在多场耦合条件下的造腔过程溶腔形态变化规律研究；“盐岩储气库造腔模拟装置”（袁光杰，班凡生等，2009）能进行盐岩储气库造腔机理研究，分析造腔影响因素，进行水溶造腔参数优化并对工程应用提供指导。

虽然目前已经进行过很多与盐穴储库造腔相关的试验研究，但这些研究主要针对造腔过程和溶腔形状控制的物理模拟，都未涉及造腔过程中造腔管柱动力特性的模型试验研究。本实用新型主要针对造腔过程中造腔管柱的自激振动和动力失稳现象，利用蠕动泵提供可以调节流量的水流，采用脉动缓冲器过滤水流脉冲恒定水流流量，并按一定的相似比采用多种管柱组合来模拟造腔管柱，用以研究造腔过程中水流速度对造腔内管和造腔外管自激振动和动力失稳的影响，以模型试验研究为基础，结合理论研究为现场造腔工程提供更为可靠和详实的技术参考。

发明内容

针对盐岩地层水溶造腔中出现的管柱弯曲变形、破损等自激振动和动力失稳引起的工程问题，本实用新型的目的是在于提供了一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力特性模型试验装置。该装置结构简单，操作方便，水流流量可精确调控且稳定，能够准确获取和监控。该装置能够更真实的模拟实际造腔工程中造腔管柱在卤水流动中发生的动力现象，利用蠕动泵、脉动缓冲器提供流量可精确调控和流量稳定的水流，确保试验能够真实反映引起管柱自激振动或动力失稳的诱因，从而为规避造腔工程中管柱破坏引起的事故提供更可靠、更详细的技术支持。

    为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：

    一种模拟盐穴储油库水溶造腔管柱动力特性模型试验装置，包括圆桶、蠕动泵、脉动缓冲器、流量计、蠕动泵管、入腔接头、造腔内管、造腔外管、有机玻璃腔体等部件。其特征是：将进水管安装在蠕动泵上，进水管一端伸入圆桶里的水中，进水管另一端中部连接脉动缓冲器和流量计，进水管端部接到入腔接头上部接口处；将排水管（薄壁硅胶管）一端伸入圆桶里的水中，排水管另一端接到入腔接头侧部的接口处；排水管另一端与入腔接头侧部接头连接并涂抹工业涂胶密封；入腔接头与有机玻璃腔体上盖连接，用螺丝钉固定并涂抹工业涂胶密封；按照下述模拟实验步骤，造腔内管（或造腔内管与造腔外管嵌套组合）与入腔接头下部接口连接，造腔管柱下端自由悬伸至腔体中，将有机玻璃腔体上盖安装在腔体上并用螺丝钉固定，涂抹适量工业涂胶密封。按照试验步骤在入腔接头下部接口处接上不同的造腔管柱组合。在入腔接头与管柱接合部位，涂上工业涂胶密封。

    采用蠕动泵提供造腔水流动力，调节蠕动泵来控制造腔水流流量，观测不同水流流量和管柱刚度等因素对造腔管柱动力特性的影响，获取引起管柱发生颤振时的临界流速，利用试验获取的数据来反推和修正理论公式；采用脉动缓冲器，过滤蠕动泵供水过程中产生的水流脉冲，使水流流量恒定且稳定；利用流量计，对造腔水流的流量进行读取和监控，使试验进展和获取的数据更可靠。

    入腔接头采用丁字形，入腔接头分别连接进水管、排水管和造腔内管和外管管柱组合，在入腔接头和管柱接合处涂抹工业涂胶密封，入腔接头能用螺丝和螺母固定在有机玻璃腔体盖上，两者之间可选择设置橡胶垫圈防止渗漏；有机玻璃腔体内造腔管柱按照试验步骤可以采用薄壁硅胶管、蠕动泵管和超薄壁黄铜管进行组合连接，分别模拟不同管类的造腔内管和造腔外管嵌套组合，管柱上端接在入腔接头下部接口处，涂抹工业涂胶密封，下端在腔体中竖直悬垂。

    圆桶用于提供造腔所用的淡水并用于储存腔体排水；蠕动泵用于提供造腔水流循环的动力，从圆桶中按一定流量抽水注入腔体，腔体内水满后由造腔管排入圆桶中；脉动缓冲器用于过滤蠕动泵引起的水流脉冲，恒定水流流速；流量计用于获取和监控水流流量；入腔接头用于连接进水管、排水管、造腔内管和造腔外管，并固定在腔体上盖上，适当密封；蠕动泵管安装在蠕动泵上，为水流循环提供动力；造腔内管和造腔外管（蠕动泵管、薄壁硅胶管、超薄壁黄铜管）主要用于进排水并研究不同流速下造腔管柱的动力特性；腔体用于储存水。

    利用蠕动泵提供流量可以调节的水流，利用脉动缓冲器滤掉蠕动泵引起的脉冲，以恒定水流的流量，同时利用流量计获取和监控水流流量。试验按照一定的相似比采用多种管柱组合来模拟造腔管柱，用以研究造腔过程中水流速度等因素对造腔内管和造腔外管自激振动和动力失稳的影响，从而找出发生这类问题的原因（如临界水流流量、管柱抗弯刚度等因素的影响），以规避造腔事故或失败，并为造腔工艺参数设计提供更真实的技术指导。本实用新型装置操作简便，准确可靠。

    本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

    1、本装置通过相似比设计，选用合适尺寸和刚度的管材进行造腔过程中管柱在水流作用下的自激振动和动力失稳的模型试验研究，能比较真实地反映造腔中管柱在水流作用下的动力特性，所观察到的物理现象和得到的结果基本符合工程实际中出现的类似的现象；

    2、为了研究不同流速下造腔管柱动力特性的影响，本实用新型采用了能够精确控制流量的蠕动泵供水，选用的蠕动泵流量控制范围为0.01~1200mL/min，控制精度为0.01mL/min，且本实用新型装置利用脉动缓冲器来过滤水流脉冲以恒定水流流速，利用流量计获取和监控水流流量，从而使得试验能够在更少的干扰、更稳定的环境中进行；

    3、本实用新型通过研究造腔过程中造腔管柱在水流作用和不同管柱组合下的颤振现象，得出引起管柱自激振动和动力失稳的临界水流流量和管柱刚度的影响，可以优化造腔注水流量的施工参数设计，从而为实际盐穴储油（气）库设计和建造以及工艺控制参数优化设计提供技术支持。

附图说明

图1为一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力特性模型试验装置的结构示意图；

图2为一种入腔接头及管柱剖面图；

图3为一种入腔接头立面图。

其中：（1）-圆桶；（2）-蠕动泵（如BTC-300CA/153Yx型）；（3）-脉动缓冲器（如AJD ZNG-0.35L型）；（4）-流量计（如USN-HE06PA 6mm型）；（5）-入腔接头；（6）-进水管（蠕动泵管）；（7）--排水管；（8）-造腔内管（薄壁硅胶管或超薄壁黄铜管）；（9）-造腔外管（薄壁硅胶管或蠕动泵管）；（10）-有机玻璃腔体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

    如图1、图2、图3所示，一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力特性模型试验装置，它由圆桶1、蠕动泵2、脉动缓冲器3、流量计4、入腔接头5、进水管6（蠕动泵管）、排水管7（薄壁硅胶管）、造腔内管8（薄壁硅胶管或超薄壁黄铜管）、造腔外管9（薄壁硅胶管或蠕动泵管）和有机玻璃腔体10等部件组成。其连接关系是：圆桶1中装适量水，圆桶1与进水管6一端连接；进水管6安装在蠕动泵2上，进水管6另一端中部分别与接上脉动缓冲器3和流量计4，进水管6另一端端部与入腔接头5上部接口连接并涂抹工业涂胶密封；排水管7一端伸入圆桶1内，排水管7另一端与入腔接头5侧部接头连接并涂抹工业涂胶密封；入腔接头5与有机玻璃腔体10上盖连接，用螺丝钉固定并涂抹工业涂胶密封。按照下述模拟实验步骤，造腔内管8（或造腔内管8与造腔外管9嵌套组合）与入腔接头5下部接口连接，造腔内管8（或造腔内管8与造腔外管9嵌套组合）的下端自由悬伸至有机玻璃腔体10中，将有机玻璃腔体10的上盖安装在有机玻璃腔体10上并用螺丝钉固定，涂抹适量工业涂胶密封。

    采用蠕动泵2提供造腔水流动力，调节蠕动泵2来控制造腔水流流量，观测不同水流流量和管柱刚度等因素对造腔管柱动力特性的影响，获取引起管柱发生颤振时的临界流速，利用试验获取的数据来反推和修正理论公式；采用脉动缓冲器3，过滤蠕动泵2供水过程中产生的水流脉冲，使水流流量恒定且稳定；利用流量计4，对造腔水流的流量进行读取和监控，使试验进展和获取的数据更可靠。

    入腔接头5采用丁字形，入腔接头5分别连接进水管6、排水管7和造腔管柱（造腔内管8和造腔外管9管柱），在入腔接头5和管柱接合处涂抹工业涂胶密封，入腔接头5能用螺丝和螺母固定在有机玻璃腔体10盖上，两者之间可选择设置橡胶垫圈防止渗漏；有机玻璃腔体10内造腔管柱按照试验步骤可以采用造腔内管8、造腔内管8与造腔外管9嵌套组合进行连接，分别模拟不同管类的造腔内管8和造腔外管9嵌套组合，造腔内管8和造腔外管9的上端分别接在入腔接头5下部接口处，涂抹工业涂胶密封，造腔内管8和造腔外管9的下端在有机玻璃腔体10中竖直悬垂。

    通过该装置进行管柱动力特性模型试验的步骤如下：

     一、无造腔外管9，造腔内管8无约束下动力颤振模拟实验。

    不考虑造腔外管的空间限制，将造腔内管8简化为从溶腔顶板直到溶腔内的悬臂输流管。悬垂的造腔内管8长度为750mm，分别连接外径9mm、内径8mm的薄壁硅胶管和外径8mm、内径7.6mm超薄壁黄铜管进行试验；造腔内管8上端接在入腔接头5下部接口处，造腔内管8的下端自由竖直悬伸在有机玻璃腔体10内部。在仅考虑内管悬臂段的前提下，通过调节蠕动泵2供水流量，研究引起造腔内管8颤振的临界流速及管柱刚度的影响。

    二、悬臂段有造腔外管9约束但外管无约束条件下，造腔内管8动力颤振模拟实验。

    考虑造腔外管9空间约束作用，将造腔管道简化为从溶腔顶板到溶腔内部的造腔内管8和造腔外管9套管组合悬臂输流管，内管略长于外管。悬臂段造腔外管9选用薄壁硅胶管，长度500mm，外径14mm，内径13mm；造腔内管8长度为750mm，分别连接外径9mm、内径8mm的薄壁硅胶管和外径8mm、内径7.6mm超薄壁黄铜管进行试验；造腔内管8和造腔外管9上端嵌套接在入腔接头5下部接口处，下端自由竖直悬伸在有机玻璃腔体10内部。悬臂段造腔内管8运动会受到造腔外管9的空间限制，而造腔外管9的振动不会受到限制。在这种条件下，调节蠕动泵2供水流量，研究引起造腔内管8颤振的临界流速与管柱刚度影响。

    三、悬臂段有造腔外管9约束且造腔外管9运动受约束条件下，造腔内管8动力颤振模拟试验。

    考虑生产套管对造腔外管的空间约束和造腔外管对造腔内管的空间约束，将管道组合简化为从溶腔顶板到溶腔内部的造腔内管8和造腔外管9套管组合悬臂输流管，造腔内管8略长于造腔外管9。悬臂段造腔外管9选用蠕动泵管，长度500mm，外径20mm，内径13mm；造腔内管8长度为750mm，分别连接外径9mm、内径8mm的薄壁硅胶管和外径8mm、内径7.6mm超薄壁黄铜管进行试验；造腔内管8和造腔外管9嵌套，上端接在入腔接头5下部接口处，下端自由竖直悬伸在有机玻璃腔体10内部。悬臂段造腔内管8的运动会受到造腔外管9的空间限制，且造腔外管9具有较大刚度，试验条件下不能发生颤振。在这种条件下，调节蠕动泵2供水流量，研究引起造腔内管8颤振的临界流速和管柱刚度影响。

Claims (3)

1.一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力模型试验装置，它包括圆桶（1）、蠕动泵（2）、脉动缓冲器（3）、流量计（4）、入腔接头（5）、进水管（6）、排水管（7）、造腔内管（8）、造腔外管（9）和有机玻璃腔体（10），其特征在于：圆桶（1）与进水管（6）一端连接；进水管（6）安装在蠕动泵（2）上，进水管（6）另一端中部分别接上脉动缓冲器（3）和流量计（4），进水管（6）另一端端部与入腔接头（5）上部接口连接并涂抹工业涂胶密封；排水管（7）一端伸入圆桶（1）内，排水管（7）另一端与入腔接头（5）侧部接头连接并涂抹工业涂胶密封；入腔接头（5）与有机玻璃腔体（10）上盖连接，用螺丝钉固定并涂抹工业涂胶密封，造腔内管（8）与入腔接头（5）下部接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力模型试验装置，其特征在于：所述的入腔接头（5）采用丁字形，入腔接头（5）分别连接进水管（6）、排水管（7）和造腔管柱，在入腔接头（5）和管柱接合处涂抹工业涂胶密封，入腔接头（5）能用螺丝和螺母固定在有机玻璃腔体（10）盖上。

3.根据权利要求1所述的一种盐穴储油库水溶造腔管柱动力模型试验装置，其特征在于：所述的有机玻璃腔体（10）内造腔管柱采用造腔内管（8），造腔内管（8）与造腔外管（9）嵌套组合连接，造腔内管（8）和造腔外管（9）的上端分别接在入腔接头（5）下部接口处，涂抹工业涂胶密封，造腔内管（8）和造腔外管（9）的下端在有机玻璃腔体（10）中竖直悬垂。

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